NOTITE DE CURS 3-4

4. COLOANA CROMATOGRAFICA

Coloana cromatografică este cea mai importantă parte a oricărui cromatograf de gaze.

4.1. Coloane cu umplutura

4.1.1. Dimensiunile coloanei cromatografice

Cele mai multe coloane cu umplutura sunt din sticlă au 1,5-10 m lungime şi diametrul

interior de 2 mm-4 mm. Sticla este uşor de manipulat, robustă şi, fiind transparentă, permite

vizualizarea unor posibile lacune sau canale în structura ei.

Coloanele de metal sunt utilizate frecvent pentru cromatografele industriale utilizate

pentru monitorizarea instalatiilor unde considerentele de siguranţă şi robusteţe sunt de o

importanţă capitală.

Densitatea optimă de umplere (g/mL) poate fi determinată la umplerea unei coloane

de sticlă cu diametrul interior echivalent. Volumul intern al coloanei de metal poate fi

calculat (πr2h) şi, prin urmare, şi greutatea de umplere care trebuie folosită pentru a umple

complet coloana determinată. Nu rămâne decât să se umple coloana cu greutatea

corespunzătoare de material.

Iniţial cromatografele de gaze aveau coloane drepte, care puteau fi uşor umplute şi

aveau o eficienţă bună. Pe măsură ce instrumentele de tip bench-top au devenit populare, au

fost dezvoltate coloanele încolăcite, dar acestea nu au avut niciodată aceeaşi eficienţă ca

omoloagele lor drepte.

Pierderea eficienţei în coloanele încolăcite în comparaţie cu cele drepte depinde de

densitatea de ambalare și nu, după cum se credea iniţial, de viteza de traversare a moleculelor

prin coloană, întrucât moleculele care călătoresc pe interiorul coloanei încolăcite vor ajunge

la sfârșitul coloanei înainte de cele de pe exterior, ducând la lărgirea picului. Acest efect este

neglijabil, cu condiția ca diametrul bobinei să fie de cel puțin zece ori diametrul intern al

tubului coloanei.

Coloanele trebuie să se încheie cu conectori potriviţi pentru a permite cuplarea la

detector cu volum mort minim. Garniturile de sticlă sau metal sunt, în general, folosite, deși

în unele instrumente sfârșitul coloanei se conectează direct la baza detectorului. Este

important faptul să există o frită de sticlă silanizată sau de vată de cuarț la sfârșitul coloanei

care să prevină patrunderea în detector a coloanei.

4.1.2. Sistemul de umplere al coloanei

In cromatografia de gaze sunt folosite două tipuri specifice de umplere:

1) Un suport solid inert acoperit cu un strat de lichid non-volatil care este faza activă

staționară. Acesta se întâlneşte în cromatografia gaz-lichid (GLC).

2) Un solid neacoperit, care poate fi un adsorbant simplu sau un solid microporos,

cum ar fi sita moleculară. Acesta este specific cromatografiei gaz-solid (SGC).

Distribuția granulometrică și mărimea materialului de umplere influențează

performanța coloanei și presiunea de intrare necesară pentru a obține un debit optim.

Dimensiunile particulelor sunt prezentate în gamele de dimensiuni ale ochiurilor de plasă.

Diametrul particulelor (în ochiuri (celule))

Diametrul particulei Dimensiunea celulei

0.1-0.125 mm 120-140 ochiuri

0.125-0.15 mm 100-120 ochiuri

0.15-0.25 mm 60-100 ochiuri

Cu cât dimensiunea particulelor este mai mică în coloană, cu atât mai greu îi este

gazului purtător să treacă prin ea. Distribuția mărimii particulelor ar trebui să fie pe cât de

îngustă posibil, și în timpul umplerii, ar trebui evitată ruperea particulelor, deoarece se vor

obţine coloane neomogene. Coloanele cu umplutura neomogena pot restricționa debitul de

gaz și chiar provoca "explozia" în detector și blocarea pasajelor înguste sau a jet-ului într-un

FID. În plus, dezintegrarea particulelor din film poate expune centrii activi de pe suportul

solid, iar acestea pot da naștere la adsorbția solutului şi la apariţia unor picuri reziduale.

4.1.3. Suporturi solide

Suportul solid acționează ca un mediu pentru distribuirea fazei staționare, astfel încât

aceasta să fie expusă la gazul purtător și la moleculele solutului în faza de gaz. Deși suportul

solid în cromatografia gaz-lichid nu ia parte la procesul cromatografic, următoarele

proprietăți sunt necesare pentru un suport ideal:

• suprafața relativ mare pe unitatea de volum.

• inert chimic, termic stabil și proprietăţi de adsorbţie de la mic la zero.

• robust mecanic, cu scopul de a rezista la acoperire și ambalare, fără a se sparge.

• să conţină particule uniforme, de formă sferică (dacă este posibil), cu un interval

îngust de distribuție a dimensiunilor.

• să aibă o structură a porilor care să permită promovarea transferului de masă rapid.

Suporturile GC comune sunt bazate pe diatomit, rămășițele fosilizate ale plantelor

unicelulare. Aceste reziduuri scheletice au o structură extrem de poroasă ceea ce le face

ideale ca material de suport.

Chromosorb W este un solid alb preparat prin încălzirea pământurilor de diatomee

într-un flux de gaz când rezultă o structră fină care cimentată pe sticlă formează pori mari și

neregulaţi. Acest suport este, de asemenea, destul de fragil și trebuie manipulat cu atenție.

Chromosorb P se obţine prin strivirea diatomitului, comprimarea lui în cărămizi și calcinarea

acestuia la aproximativ 900 °C. Cărămida roz rezultată, mai bine cunoscută sub numele de

şamota Johns Manville, este apoi mărunţită, trecută prin sită pentru a fi utilizată ca suport

solid. Chromosorb P este mai robust decât Chromosorb W și poate stoca până la 30% fază

staționară.

Suporturile solide pot fi furnizate în formă spălată cu acid şi silanizate. Silanizarea

dezactivează suportul prin eliminarea grupărilor active de hidroxil.

Carbonul este un adsorbant bun și poate fi utilizat în cromatografia de gaz-solid, dar

nu poate fi clasificat ca un suport solid inert pentru o fază staționară lichidă. Există o gamă

considerabilă de suporturi pe piață, dar pentru uz general, se recomanda Chromosorb W-HP,

cu o dimensiune a particulelor de 100-120 ochiuri de plasă.

4.1.4. Faze stationare lichide în cromatografia lichid-gaz

Faza staționară se alege astfel încât să se obţină o bună separare a compuşilor dintr-un

amestec.

Utilizarea unei faze staționare lichide în cromatografia de gaze are o serie de avantaje:

(A) faze lichide sunt disponibile într-o varietate mare, ceea ce creşte selectivitatea

pentru o anumită separare.

(B) fazele lichide staționare au purităţi bine definite ceea ce duce la obţinerea unor

timpi de retenţie reproductibili.

(C) Cantitatea de fază staționară pe coloană poate fi modificată pentru a servi, fie în

separări analitice, fie preparative.

Toate fazele staționare convenționale au un dezavantaj major, şi anume volatilitatea

lor. Astfel, în cazul în care acestea sunt utilizate peste temperatura recomandată, o anumită

cantitate de fază lichidă va ajunge la detector şi va duce la modificarea liniei de bază, la

pierderea sensibilității și la schimbarea în natura coloanei. Producătorii raportează de obicei

atât temperaturile minime cât și maxime de funcționare. Temperatura minimă este

importantă, deoarece sub această temperatură faza staționară devine un solid, iar solidul ar

putea avea caracteristici diferite semnificativ faţă de cele ale unei stări lichide. Atunci când

faza staționară devine solidă separarea este ineficientă întrucât compușii pur și simplu nu sunt

reținuţi pe coloană.

Fazele staționare sunt, în mod normal, materiale cu masă moleculară relativ mare,

cum ar fi hidrocarburile saturate, siliconii, eterii, esterii și amidele. Pentru ca reținerea

moleculelor de solut să poată avea loc, este necesar ca molecula de solvat să se dizolve în

faza staționară pentru o perioadă finită de timp înainte de a trece de la suprafața lichidului în

starea de vapori. Astfel, solubilitatea soluţilor în faza staționară poate deveni, prin urmare,

punctul de plecare în procesul de alegere a unei faze staționare potrivite pentru un amestec

anume de soluţi.

În general, hidrocarburile saturate sunt mai solubile în alte hidrocarburi saturate, dar

mai puţin solubile în alcooli, etc, în timp ce alcoolii sunt solubili în alţi alcooli, şi mai putin

solubili în hidrocarburi. Pe acest principiu s-ar putea presupune că solubilitatea

componentelor unui amestec în faza staționară va fi proporțională cu similitudinea dintre

compoziția lor chimică și cea a fazei staționare. Astfel, compușii care au o natură similară cu

a fazei staționare vor fi reţinuţi în faza lichidă, în timp ce ceilaţi vor trece mai rapid prin

coloană.

Cu această abordare pot apărea şi erori. Astfel, dacă se ia în considerare un amestec

de 2-nitroanalină cu 4-nitroanilină ne putem aștepta ca acestea să aibă solubilități similare. De

fapt, dacă vom testa solubilitatea acestor compuși vom găsi că 4-nitroanalina este mult mai

puțin solubilă decât 2-nitroanilina. În mod clar pe un alt fenomen se bazează procesul de

separare.

Utilizând o altă abordare, se presupune că un solut polar se va dizolva cel mai bine

într-un solvent polar şi vice versa. Ceea ce se înțelege prin polaritate este un concept destul

de vag definit, care combină momentul de dipol al unui compus și capacitatea acestuia de a

forma legături de hidrogen. Astfel, hidrocarburile care nu au nici un moment de dipol și nici

capacitatea de a forma legături de hidrogen, sunt considerate a fi non-polare. Apa, care are un

moment de dipol destul de mare și o capacitate mare de a forma legături de hidrogen, este

socotită foarte polară şi, în realitate, acesta este unul dintre cei mai polari solvenți. Alcoolii,

cu momente de dipol similare cu ale apei, dar cu o capacitate mai mică de a forma legături de

hidrogen, deoarece au un singur atom de hidrogen atașat la oxigen, sunt mai puțin polari

decât apa. Cetonele și esterii pot avea momente de dipol mai mari decât alcoolii, din cauza

grupărilor carbonil, dar formează legături de hidrogen într-o proporţie mai mică. Pot forma

legături de hidrogen intermoleculare numai cu alte molecule care pot furniza necesarul de

atomi de hidrogen (adică acționează în calitate de donori de hidrogen). Hidrocarburile

halogenate se încadrează între eteri și hidrocarburi. Ele pot avea un moment de dipol foarte

mare, cum ar fi diclormetanul, dar deoarece nu formează legături de hidrogen acestea nu sunt

considerate a fi foarte polare.

Bazându-se pe acest principiu, 1,4-nitroanilina este polară și va forma legături de

hidrogen cu solventul sau cu alte molecule de 1,4-nitroanilină. În cazul în care legăturile de

hidrogen se formează cu solventul, nitroanilina se dizolvă, dar dacă, între moleculele de 1,4-

nitroanilină au loc legături intermoleculare, solubilitatea va fi inhibată. În cazul 1,2-

nitroanilinei, necesarul de legături de hidrogen din molecula poate fi realizat prin legăturile

de hidrogen intramoleculare. Legăturile intramoleculare sunt mai mari decât cele

intermoleculare, astfel, 1,2-nitroanilina are o tendință mai mică de a forma legături

intermoleculare cu alte molecule de nitroanilină și, astfel, nu se mai formează legături de

hidrogen cu solventul pentru a se forma o soluție.

Aşadar fazele staţionare se clasifică în funcţie de polaritatea lor. În Tabelul 4.1 se

oferă o selecție de faze staționare de uz general.

Tabelul 4.1. Faze staţionare lichide uzuale

Dacă se are în vedere separarea unui amestec de hexan și 1-metiletil metanoat, ambele

cu puncte de fierbere de 68 °C, se poate vedea că se încearcă separarea unui compus non-

polar dintr-un compus polar moderat. Dacă se foloseşte o coloană cu o polaritate intermediară

sau o fază slab polară nu s-ar separa, probabil, componentele, deoarece volatilitățile şi

solubilitățile lor sunt în esență similare. În scopul de a realiza separarea trebuie să se

utilizeze, o fază staţionară non-polară sau foarte polară, pentru a diferenția caracteristicile

compușilor. Astfel, dacă se va folosi o fază non-polară, hexanul va fi ușor solubil și poate fi

reținut, în timp ce esterul care este mai puțin solubil va trece rapid prin coloană. În situația în

care se foloseşte o coloană foarte polară, esterul se va dizolva și va fi reținut, dar hexanul va

fi mult mai puțin solubil, prin urmare, reţinerea sa va fi limitată și va trece prin coloană

înaintea esterului. Aşadar, ordinea de eluare va fi inversată, Fig. 4.1 (i).

Dacă se adaugă acetat de metil (p.f. = 57 °C) amestecului, separarea esterilor pe

coloane non-polare, cu polaritatea medie sau foarte polare, nu este o problemă, numai în

cazul fazei non-polare, solubilitatea hexanului este suficientă pentru a asigura o retenție

corespunzătoare, care nu va interfera cu picurile esterilor, Fig. 4.1 (ii).

Fig. 4.1. Efectul polarităţii fazei staţionare asupra procesului de separare i) al unui alcan şi al

unui ester cu volatilităţi similare; ii) al unui alcan şi a doi esteri cu volatilităţi diferite.

Din păcate, unii compuși polari prezintă picuri reziduale când se face separarea pe

coloanele cu faza staționară non-polară, ceea ce face ca acurateţea analizelor cantitative să fie

mai dificilă. Nu există nici o soluție simplă la această problemă și, prin urmare, ori de câte ori

este posibil, este recomandat să se separe amestecurile de compuşi polari pe coloane polare.

Cu toate acestea, pot exista situații în care picurile reziduale este de preferat să nu se separe.

4.1.5. Tipuri de faze staţionare solide

În general, acestea sunt mai puţin populare decât fazele staţionare lichide deoarece

duc la timpi de retenţie mari, picuri reziduale şi slabă reproductibilitate. Cu toate acestea, sunt

destul de interesante deoarece au o selectivitate mai bună decât fazele lichide staționare.

Faze solide staționare pot fi împărțite în două grupuri: cele care operează prin

adsorbție și cele care funcționează pe principiul sitelor moleculare.

Adsorbția pe o suprafață solidă, nu este un proces uniform. Unele zone de pe suprafață

adsorb mai ușor și mai puternic moleculele decât altele și în aceste zone moleculele adsorbite

sunt mai grupate. Astfel de zone sunt cunoscute sub denumirea de site-uri active și pot fi

găsite în zonele fizic neuniforme (fisuri și crevase, etc), precum și pe defecte cristaline pe

suprafață. Aceste neuniformităţi duc la apariţia izotermelor de adsorbție non-lineare și a

picurilor reziduale în cromatografie.

Forțele responsabile pentru adsorbție sunt similare cu cele care induc solubilitatea -

legăturile de hidrogen, interacţia dipol-dipol, interacţia dipol-dipol indus, forțele de dispersie,

etc. Selectivitatea suplimentară a procesului de adsorbție, în comparație cu soluția provine,

probabil, din geometria rigidă a suprafaței solide. Atomii de adsorbant, care sunt responsabili

pentru atragerea moleculelor de adsorbit sunt reținuţi strâns de reţeaua cristalină. Capacitatea

acestora de a atrage atomii moleculelor adsorbite depinde mult de geometria moleculei.

Cel puțin într-o oarecare măsură, sitele moleculare funcționeză din cauza porilor de

dimensiuni mici care pătrund în structurile lor. Moleculele mici sunt capabile să pătrundă în

aceşti pori și să se adsoarbă pe suprafețele lor interioare. Moleculele mai mari sunt mai puțin

capabile să penetreze porii, se adsorb pe suprafețele exterioare și așa sunt mai repede eluați.

Ordinea de eluare pe coloanele cu astfel de faze staționare coincide, aproximativ, cu ordinea

descrescătoare a dimensiunii moleculelor sau a maselor moleculare relative ale lor.

Cele mai întâlnite faze staționare solide sunt:

Alumina

Alumina (A12O3) este un adsorbant puternic. Aceasta poate forma legături de

hidrogen prin intermediul grupărilor hidroxil formate la suprafața sa prin hidratare, şi

interacţiona prin legături dipol-dipol și dipol-dipol induse prin intermediul aceloraşi grupări

sau prin atomii de oxigen de la suprafață, și atomii de aluminiu cu deficit de electroni pot

accepta electroni (interacţie acid /bază). Este foarte eficientă la separarea alcanilor inferioari,

alchenelor și la analiza amestecurilor de freoni. Cu toate acestea, componentele sunt foarte

sensibile la apariţia picurilor reziduale și, chiar dacă acest lucru poate fi parțial depășit prin

depunerea sărurilor anorganice pe suprafața sa, nu se pot obține cu adevărat picuri simetrice.

Negrul de fum

Negrul de fum a fost mult timp folosit ca un adsorbant pentru GSC. În principiu,

acesta ar trebui să nu aibă grupări polare pe suprafață, astfel încât adsorbţia s-ar putea datora

exclusiv forțelor de dispersie. Prezenţa grupărilor funcționale la componentele amestecului, a

legăturilor cu electroni neparticipanti, este prin urmare lipsită de relevanță pentru adsorbția

lor. Acest lucru ar trebui să fie controlat de mărimea, forma și polaritatea moleculelor, și cu

toate că selectivitatea între molecule ar putea fi foarte ridicată, ar trebui să fie mult mai puțin

dependentă de specie.

În practică, negrul de fum simplu posedă un număr variabil de grupări polare pe

suprafața sa, iar acestea duc la picuri cu forme necorespunzătoare și o performanță slabă. Nu

este surprinzător faptul că negrul de fum în această formă a fost folosit rar. În cazul în care,

negrul de fum se încălzește într-o atmosferă inertă la aproximativ 3000 °C, mai multe

impurități sunt îndepărtate și acesta se transformă în grafit. Această formă a negrului de fum

(GCB) este un adsorbant mult mai îmbunătățit. Chiar și așa, există defecte fizice și câteva

zone mici de grupări polare pe suprafață care au efectul de a deforma alura picurilor. Acest

lucru poate fi în mod normal depășit prin acoperirea adsorbantului cu o cantitate mică (până

la 1 sau 2%) de fază staționară lichidă (de multe ori PEG). Ceea ce este semnificativ este

faptul că formele îmbunătățite ale picurilor, timpii de retenție reduşi și faza staționară pot fi

folosite pentru a separa o gamă largă de compuși organici, atât gaze cât și lichide, dintre care

se pot menţiona: hidrocarburile saturate, aminele, fenolii și acizii aromatici.

Zeoliţii

Aceştia sunt site moleculare de tip alumino-silicat. De asemenea, ei sunt adsorbanți

puternici de apă, dioxid de carbon, etc. şi suferă procese ireversibile sub temperaturi de

aproximativ 200 °C. (Aşadar coloanele trebuie să nu se afle în contact cu aerul atunci când nu

sunt utilizate.) Desigur, aceştia nu pot fi folosiţi pentru cromatografia de gaze pe aceste gaze.

Cu toate acestea, ei sunt excelenţi pentru separarea gazelor nobile (inerte), oxigen, azot,

monoxid de carbon și alte gaze precum și pentru separarea hidrocarburilor cu catenă liniară și

ramificată. Ei sunt comercializate de Union Carbide ca gamă de site moleculare Linde.

Silicagelul

Deşi silicagelul este poros, iar dimensiunea porilor influențează performanța sa ca

fază staționară, el funcționează ca adsorbant, nu ca o sită moleculară. Grupările hidroxil de la

suprafaţă par a fi principalele locuri de adsorbție; forțele de dispersie, interacțiunile dipol şi

dipol indus, precum și legăturile de hidrogen sunt importante, dar există dovezi că în

legăturile de hidrogen acționează mult mai eficient ca un acceptor decât ca un donor de

protoni. Acesta se utilizează în analiza gazelor, inclusiv separarea dioxidului de carbon din

alte gaze.

Polimerii poroşi

Stirenul poate fi polimerizat în condiții care conduc la obţinerea unor sfere poroase de

polistiren reticulat. Dimensiunea porilor afectează performanţa cromatografică, dar modul de

acțiune este adsorbția, mai degrabă decât sitarea moleculară. Adsorbția are loc în porii de pe

suprafața hidrocarburilor aromatice polimerice, mai degrabă decât pe suprafața negrului de

fum grafitizat. Porii par să asigure o suprafață foarte mare de absorbție. Se pot obține

cromatograme excelente pentru componenţi, precum, apă, amoniac, alcooli inferiori și amine.

Ei sunt comercializaţi de către Associates Waters sub numele de Porapak și de către Johns

Manville sub denumirea de Chromosorbs.

Tenax-GC este un alt polimer poros, care este disponibil sub formă de șirag de

mărgele pentru împachetarerea în coloane pentru cromatografia de gaze. Acesta se bazează

pe faptul că oxidul de 2,6-difenil-p-fenilen are o stabilitate termică mai mare decât

polistirenul. Scurgerea ușoară pe coloană se observă la temperaturi mai mari de 320 °C, dar

acest lucru nu devine excesiv până ce temperatura ajunge la 375 °C. Ca și polistirenul, acesta

conduce la picuri simetrice și, datorită limitei de temperatură ridicată, este excelent pentru a

separa compușii polari cu puncte de fierbere ridicate, cum sunt aminele aromatice, fenolii,

glicolii, etc.

În concluzie, fazele staţionare lichide sunt mult mai frecvent utilizate decât fazele

staţionare solide, probabil din cauza fiabilităţii lor ridicate. Lichidele care urmează să fie

folosite ca faze staționare trebuie să fie non-volatile şi stabile din punct de vedere chimic și

termic. Ele sunt cel mai bine clasificate în funcție de polaritatea lor, în non-polare,

intermediare, cu polaridate medie și foarte polare. Abilitatea lor de a dizolva și păstra

componentele se corelează destul de bine cu similitudinea dintre polaritatea compusului

analizat și faza staționară. Pentru alegerea fazei staționare este necesară o atenţie mărită

asupra motivelor care stau la baza solubilităţii și să se ţină cont de principalele atracții dintre

moleculele de solvent și solvat. Acestea sunt legături de hidrogen, interacţii dipol-dipol și

dipol-dipol indus, iar forțele de dispersie au o contribuție mai mică. Fazele staționare solide

deşi sunt mai puțin utilizate, sunt atractive, deoarece acestea oferă o selectivitate mult mai

mare și de multe ori sunt esențiale pentru analiza gazelor. Cu toate acestea, ele sunt ușor de

contaminat, iar timpii de retenție și separările nu pot fi reproductibile. Selectivitatea va fi

datorată diferențelor de formare a legăturilor de hidrogen, interacțiunilor dipol și dipol induse

și de forțele de dispersie sau a diferențelor de mărime moleculară.

4.2. Sisteme de coloane capilare

4.2.1. Structura și dimensiunea coloanelor

Coloanele capilare pot fi clasificate astfel:

WCOT – coloane tubulare cu pereții căptușiți;

SCOT – coloane tubulare deschise, căptușite și cu suport;

PLOT – coloane tubulare din straturi poroase, deschise.

Coloanele cu pereții căptușiți sunt cel mai des întâlnite. Acestea sunt confecționate

din tuburi de sticlă, silice sau oțel care au un diametru intern cuprins între 0,1 – 0,5 mm. În

Figura 4.2.a se poate vedea o secțiune dintr-o coloană de silice.

Figura 4.2a. Secțiune printr-o coloană capilară de sticlă

Fig. 4.2b. Secțiune printr-o coloană de silice topită

În Fig. 4.2c și 4.2d sunt reprezentate secțiunile transversale ale unor coloane de tip

SCOT și PLOT.

Fig. 4.2c. Secțiunea transversală printr-o coloană SCOT

Fig. 4.2d. Secțiune printr-o coloană de tip PLOT

Coloanele capilare timpurii care aveau pereții căptușiți erau preparate utilizând o

soluție, de tipul celei folosite pentru faza staționară, dizolvată într-un solvent organic care era

trecută prin coloană și apoi suflată într-un flux de gaz inert. Calitatea suprafeței interne a

sticlei este importantă, iar în multe procese se extrag ionii de pe suprafața sticlei înaintea

acoperii deoarece s-a arătat că aceste impurități dau naștere la probleme de adsorbție și

apariția unor picuri nerezolvate.

Coloanele din cuarț topit au un miez dintr-o silice foarte pură, care în principiu să nu

conțină ioni metalici. Totuși această silice pură se poate sparge întrucât este susceptibilă la

procesele de oxidare atmosferică. Acest neajuns poate fi depășit prin acoperirea coloanei cu

un strat de poliimidă care protejează coloana, menține flexibilitatea cuațului topit și-l face

mai ușor de manipulat.

Faza staționară este legată chimic de silice. Comparând coloanele acoperite cu film cu

cele în care faza staționară este legată chimic de silice s-a observat că, cele din urmă au

temperatura maximă de operare mai mare, mai puține scurgeri și un timp de viață mai mare.

Pe lângă aceasta, prin spălarea coloanei cu solvenții potriviți se poate reface performanța unei

coloane degradate.

Faza staționară se poate lega de pereții coloanei capilare întrucât tuburile de silice

conțin multe grupări hidroxil (grupări silanol) la care se pot atașa silanii potriviți. O parte

dintr-o moleculă din faza staționară se poate vedea mai jos:

Grosimea filmului este importantă deoarece influențează atât raportul fazei staționare

la cea mobilă, de care depinde timpul de retenție și procesul de separare, cât și cantitatea

maximă de probă pe care coloana o poate suporta. Pentru un anumit component, cu cât este

mai subțire filmul, cu atât este mai mare timpul de retenție. Grosimea filmului este cuprinsă

între 0,1 și 1,0 µm.

Diametrul intern al coloanei este cuprins între 0,1 – 0,5 mm. Coloanele cu un

diametru intern de 0,05 mm sunt fabricate pentru a fi utilizate în cromatografia cu lichide

supercritice. Coloanele cu un diametru intern de 0,1 mm sunt recomandate pentru

cromatografele cuplate cu spectrometre de masă, în timp ce, pentru uzul general sunt

acceptate cele de 0,25 sau 0,32 mm. Coloanele cu diametrul intern mai mare sunt

recomandate ca înlocuitori ai coloanelor cu umplutură.

Lungimea coloanelor atinge până la 60 m însă cele de 15 - 30 m sunt cele mai

întâlnite.

Coloanele de tip SCOT și PLOT au fost dezvoltate pentru a obține un raport al fazelor

mai mare în capilarele cu diametrul intern mare fără a crește grosimea medie a filmului. În

acest fel crește viteza fluxului și se pot analiza probe cu dimensiuni mai mari fără ca să se

piardă rezoluția care ar rezulta atunci când sunt întrebuințate filme mai subțiri. Din păcate, nu

se poate atinge astfel rezoluția obținută cu capilarele convenționale cu pereții căptușiți.

Coloanele de tip PLOT se obțin prin generarea in situ a unui strat intern poros printr-o

reacție chimică pe suprafața internă a sticlei, înainte de acoperirea obișnuită. Printr-o metodă

alternativă, se umplu capilarele cu un strat de 0,01 mm reprezentat de o suspensie stabilă de

particule într-o soluție de fază staționară într-un solvent volatil și se formează coloanele de tip

SCOT. De-a lungul capilarului se poate interpune un cuptor mic care ajută la evaporarea

solventului și depunerea suportului și a fazei staționare pe pereții coloanei.

4.2.2. Tipuri de faze stationare în coloanele capilare

Performanța unei coloane cromatografice depinde mai mult de modul în care este

îngrijită și de probele pe care le analizează, decât de procesul de fabricare.

Cu cât sunt mai polare coloanele cromatografice cu atât temperatura lor maximă de

operare este mai mică.

Coloanele capilare nepolare sunt restricționate de temperatură datorită filmelor

protectoare de poliimidă. Acum cîțiva ani au apărut pe piață coloanele acoperite cu alumină,

despre care s-a crezut că sunt mai puțin dependente de temperatură, dar care, la temperaturi

mai mari se rup în bucăți.

Coloanele cu diametrul intern mare, care sunt acoperite, în general, cu un film mai

subțire, sunt mai puțin dependente de temperatură față de echivalenții lor cu diametrul mai

mic.

O coloană de gaz cromatograf de tip Porapak-Q este potrivită pentru analiza alcoolilor

cu masă moleculară mică, a esterilor, hidrocarburilor și a gazelor cu sulf și este un sistem

gaz-solid cu care se analizează mai ușor unele probe dificile.

Tabel 4.2. Tipuri de faze în coloanele capilare

4.2.3. Manipularea coloanelor capilare

Coloanele de sticlă păreau a fi destul de robuste, până când au fost umplute cu faza

staționară și s-au spart destul de ușor.

Pentru a păstra o coloană cromatografică în condiții bune nu trebuie să:

- se lase neprotejată pe mese;

- se forțeze atunci când este montată în cuptor;

- se expună la căldura excesivă degajată de cuptor;

- se dea drumul la cuptor până când gazul purtător nu a trecut prin coloană timp

de 45 de minute;

- se utilizeze coloana la limita sa maximă de funcționare până când nu a fost

încălzită mai mult timp. A se crește temperatura progresiv.

Ceea ce trebuie să facă operatorul pentru a-și păstra coloana mai mult timp este:

- să urmeze instrucțiunile de utilizare;

- să folosească un instrument special pentru tăiat coloanele;

- să îndepărteze inelele și siguranțele înainte de a tăia coloana;

- să verifice tăieturile cu mare grijă, dacă sunt aspre sau cu spărturi, atunci

operația trebuie repetată;

- să se dea drumul la instalația de gaz. Se recomandă ca, mai întâi să se atașeze

capătul injectorului, să se dea drumul la gaz, să se verifice debitul care vine la capătul

detectorului și la final să se conecteze la detector;

- să se urmeze instrucțiunile producătorului în ceea ce privește lungimea

capilarelor ce urmează a fi introduse în injector și detector;

- să se verifice prezența unor scurgeri de gaze folosind un solvent organic, ca

heptanul sau acetatul de etil. Să nu se aplice o soluție de săpun, deoarece aceasta poate intra

în coloană și da naștere unor picuri ciudate și unor probleme în trasarea liniei de bază ce pot

persista pentru mai mult timp.

4.3. Performanţa coloanei

În general, performanţa unei coloane cromatografice este determinată de trei

parametri, astfel:

(1) Factorul de capacitate, k, reprezinta capacitatea fazei stationare de a retine un

solut:

M

MR

t

ttk

(2) Eficienţa unei coloane este măsurată ca numărul de talere teoretice (N), sau

înălțimea talerului (H)

Înălțimea talerului, H, este înălțimea echivalentă a unui taler teoretic, prin urmare

HETP. De fapt, aceasta este lungimea coloanei echivalentă cu un taler teoretic, deoarece este

calculat prin împărțirea lungimii coloanei (L) la numărul de talere teoretice (N):

H = L/N

Măsurarea înăţimii talerului este utilizată în mod normal în construirea curbelor de

HETP cand se determină viteza optimă a gazului pentru o anumită coloană.

Eficiența coloanei poate fi măsurată din profilul picului într-un număr de moduri

diferite, dintre care cel mai utilizat este cel din Fig. 3.6a și următoarele relații:

Fig. 3.6

unde:

tR = timpul de retenție necorectat;

W0.6065 h = lățimea picului la punctul de inflexiune;

W0.5 h = lățimea picului la jumătatea înălțimii picului;

WB = lățimea picului la baza lui.

Aceste calcule estimează eficiența coloanei și timpul de retenție corectat, când

rezultatul devine numărul de talere efective (Neff).

(3) Factorul de rezoluție (R) pentru două picuri de eluţie foarte apropiate

Factorul de rezoluţie (R%), este o măsură a gradului de separare a picurilor adiacente

și este determinat din măsurători efectuate pe o pereche de picuri prin utilizarea ecuaţiilor de

mai jos.

Relatii de calcul:

BA

ARBR

WW

tt

])()[(R

2

unde:

(tR)A și (tR)B sunt timpii de retenție;

WA și WB sunt lățimile la bază ale picurilor.

(4) Simetria picurilor

Separarea unor picuri inițial simetrice se obține în cazul în care RS ≤ 1,5.

Factorul de asimetrie al picului, As, este o măsură a distorsiunii picului. Măsurătorile

sunt efectuate așa cum se arată mai jos, iar factorul se calculeaza după cum urmează:

A = BC/AC

În mod ideal, ar trebui să fie obținute valori foarte aproape de 1,0. Dacă valoarea este

de 1,2, atunci acest lucru indică o umplere defectuoasă a coloanei. Dacă este mai mare de 1,6,

se aruncă umplutura și se începe din nou. În cazul în care factorul de asimetrie este mai mic

de 1,0, atunci aceasta va indica faptul că picul arată semne de supraîncărcare. Acest lucru

poate fi ușor verificat prin reducerea volumului de injectare și rularea din nou a

cromatogramei. În cazul în care valoarea lui AS este acum 1,0 sau mai mare, atunci

suprasolicitarea a fost eliminată.

(5) Selectivitatea

Deși eficiența unei coloane, adică numărul de talere teoretice din coloană, joacă un rol

important în procesul de separare realizabil prin coloană, trebuie amintit că selectivitatea este

cea care determină cât de bine face diferența faza staționară între substanțe. Selectivitatea este

definită ca:

)()(

)()(α

MAR

MBR

tt

tt